深入聊聊Node 異步和事件循環的底層實現和執行機制

Node 最初是為打造高性能的 Web 服務器而生，作為 JavaScript 的服務端運行時，具有事件驅動、異步 I/O、單線程等特性。基于事件循環的異步編程模型使 Node 具備處理高并發的能力，極大地提升服務器的性能，同時，由于保持了 JavaScript 單線程的特點，Node 不需要處理多線程下狀態同步、死鎖等問題，也沒有線程上下文切換所帶來的性能上的開銷。基于這些特性，使 Node 具備高性能、高并發的先天優勢，并可基于它構建各種高速、可伸縮網絡應用平臺。

本文將深入 Node 異步和事件循環的底層實現和執行機制，希望對你有所幫助。

為什么要異步？

Node 為什么要使用異步來作為核心編程模型呢？

前面說過，Node 最初是為打造高性能的 Web 服務器而生，假設業務場景中有幾組互不相關的任務要完成，現代主流的解決方式有以下兩種：

• 單線程串行依次執行。

• 多線程并行完成。

單線程串行依次執行，是一種同步的編程模型，它雖然比較符合程序員按順序思考的思維方式，易寫出更順手的代碼，但由于是同步執行 I/O，同一時刻只能處理單個請求，會導致服務器響應速度較慢，無法在高并發的應用場景下適用，且由于是阻塞 I/O，CPU 會一直等待 I/O 完成，無法做其他事情，使 CPU 的處理能力得不到充分利用，最終導致效率的低下，

而多線程的編程模型也會因為編程中的狀態同步、死鎖等問題讓開發人員頭疼。盡管多線程在多核 CPU 上能夠有效提升 CPU 的利用率。

雖然單線程串行依次執行和多線程并行完成的編程模型有其自身的優勢，但是在性能、開發難度等方面也有不足之處。

除此之外，從響應客戶端請求的速度出發，如果客戶端同時獲取兩個資源，同步方式的響應速度會是兩個資源的響應速度之和，而異步方式的響應速度會是兩者中最大的一個，性能優勢相比同步十分明顯。隨著應用復雜度的增加，該場景會演變成同時響應 n 個請求，異步相比于同步的優勢將會凸顯出來。

綜上所述，Node 給出了它的答案：利用單線程，遠離多線程死鎖、狀態同步等問題；利用異步 I/O，讓單線程遠離阻塞，以更好地使用 CPU。這就是 Node 使用異步作為核心編程模型的原因。

此外，為了彌補單線程無法利用多核 CPU 的缺點，Node 也提供了類似瀏覽器中 Web Workers 的子進程，該子進程可以通過工作進程高效地利用 CPU。

如何實現異步？

聊完了為什么要使用異步，那要如何實現異步呢？

我們通常所說的異步操作總共有兩類：一是像文件 I/O、網絡 I/O 這類與 I/O 有關的操作；二是像 setTimeOut、setInterval 這類與 I/O 無關的操作。很明顯我們所討論的異步是指與 I/O 有關的操作，即異步 I/O。

異步 I/O 的提出是期望 I/O 的調用不會阻塞后續程序的執行，將原有等待 I/O 完成的這段時間分配給其余需要的業務去執行。要達到這個目的，就需要用到非阻塞 I/O。

阻塞 I/O 是 CPU 在發起 I/O 調用后，會一直阻塞，等待 I/O 完成。知道了阻塞 I/O，非阻塞 I/O 就很好理解了，CPU 在發起 I/O 調用后會立即返回，而不是阻塞等待，在 I/O 完成之前，CPU 可以處理其他事務。顯然，相比于阻塞 I/O，非阻塞 I/O 多于性能的提升是很明顯的。

那么，既然使用了非阻塞 I/O，CPU 在發起 I/O 調用后可以立即返回，那它是如何知道 I/O 完成的呢？答案是輪詢。

為了及時獲取 I/O 調用的狀態，CPU 會不斷重復調用 I/O 操作來確認 I/O 是否已經完成，這種重復調用判斷操作是否完成的技術就叫做輪詢。

顯然，輪詢會讓 CPU 不斷重復地執行狀態判斷，是對 CPU 資源的浪費。并且，輪詢的間間隔很難控制，如果間隔太長，I/O 操作的完成得不到及時的響應，間接降低應用程序的響應速度；如果間隔太短，難免會讓 CPU 花在輪詢的耗時變長，降低 CPU 資源的利用率。

因此，輪詢雖然滿足了非阻塞 I/O 不會阻塞后續程序的執行的要求，但是對于應用程序而言，它仍然只能算是一種同步，因為應用程序仍然需要等待 I/O 完全返回，依舊花費了很多時間來等待。

我們所期望的完美的異步 I/O，應該是應用程序發起非阻塞調用，無須通過輪詢的方式不斷查詢 I/O 調用的狀態，而是可以直接處理下一個任務，在 I/O 完成后通過信號量或回調將數據傳遞給應用程序即可。

如何實現這種異步 I/O 呢？答案是線程池。

雖然本文一直提到，Node 是單線程執行的，但此處的單線程是指 JavaScript 代碼是執行在單線程上的，對于 I/O 操作這類與主業務邏輯無關的部分，通過運行在其他線程的方式實現，并不會影響或阻塞主線程的運行，反而可以提高主線程的執行效率，實現異步 I/O。

通過線程池，讓主線程僅進行 I/O 的調用，讓其他多個線程進行阻塞 I/O 或者非阻塞 I/O 加輪詢技術完成數據獲取，再通過線程之間的通信將 I/O 得到的數據進行傳遞，這就輕松實現了異步 I/O：

主線程進行 I/O 調用，而線程池進行 I/O 操作，完成數據的獲取，然后通過線程之間的通信將數據傳遞給主線程，即可完成一次 I/O 的調用，主線程再利用回調函數，將數據暴露給用戶，用戶再利用這些數據來完成業務邏輯層面的操作，這就是 Node 中一次完整的異步 I/O 流程。而對于用戶來說，不必在意底層這些繁瑣的實現細節，只需要調用 Node 封裝好的異步 API，并傳入處理業務邏輯的回調函數即可，如下所示：

const fs = require("fs");  fs.readFile('example.js', (data) => {   // 進行業務邏輯的處理 });

Nodejs 的異步底層實現機制在不同平臺下有所不同：Windows 下主要通過 IOCP 來向系統內核發送 I/O 調用和從內核獲取已完成的 I/O 操作，配以事件循環，以此完成異步 I/O 的過程；Linux 下通過 epoll 實現這個過程；FreeBSD下通過 kqueue 實現，Solaris 下通過 Event ports 實現。線程池在 Windows 下由內核（IOCP）直接提供，*nix 系列則由 libuv 自行實現。

由于 Windows 平臺和 *nix 平臺的差異，Node 提供了 libuv 作為抽象封裝層，使得所有平臺兼容性的判斷都由這一層來完成，保證上層的 Node 與下層的自定義線程池及 IOCP 之間各自獨立。Node 在編譯期間會判斷平臺條件，選擇性編譯 unix 目錄或是 win 目錄下的源文件到目標程序中：